Cos'è l'efficienza termica?

L'efficienza termica è una misura dell'energia di uscita divisa per l'energia di ingresso in un sistema.Deve essere compreso tra lo 0% e il 100%.Un'efficienza termica del 100% significherebbe che tutta l'energia inserita in un sistema esce, sebbene in una forma diversa.I motori di calore e i frigoriferi hanno entrambi efficienze termiche associate, sebbene stiano cercando di raggiungere obiettivi opposti.Le efficienze termiche del mondo reale sono generalmente significativamente al di sotto del 100% a causa di una serie di ragioni.

In un motore a benzina, l'energia di ingresso viene immagazzinata nei legami chimici di un combustibile per idrocarburi.Una molecola di idrocarburi è costituita interamente da idrogeno e carbonio.Quando queste molecole sono combinate con ossigeno, possono reagire chimicamente e formare monossido di carbonio e acqua;In sostanza, la molecola di idrocarburi è divisa e combinata con atomi di ossigeno.La parte di questa reazione che è utile a un motore, tuttavia, è il calore che viene rilasciato.Il calore rilasciato dalla combustione della benzina è l'energia di input rilevante nell'efficienza termica.

L'energia di uscita nel calcolo dell'efficienza termica di un motore non è calore, ma lavoro meccanico.In fisica, il lavoro è la quantità di energia trasferita da una forza che agisce a distanza.Spingere una scatola sul tappeto una certa distanza richiede una quantità finita di lavoro;Ciò è uguale al prodotto della distanza spostata e alla forza media esercitata.Allo stesso modo, un motore a benzina funziona quando muove le ruote di un'auto.

In caso di frigorifero o condizionatore d'aria, la relazione di lavoro di calore è invertita.Il risultato desiderato in questa situazione è rimuovere il calore da un sistema e scaricarlo nell'ambiente esterno.L'ingresso disponibile, quindi, è il lavoro meccanico, che è spesso fornito da un compressore elettricamente alimentato.Il calcolo dell'efficienza termica, tuttavia, richiede ancora dividere l'energia di uscita per energia di ingresso.La differenza da un motore a benzina, ovviamente, è che l'output è calore e l'ingresso è funzionante.

Un tipico motore automobilistico ha un'efficienza termica inferiore al 35%.Questo numero sembra basso per due motivi importanti.Prima di tutto, esiste un limite superiore teorico sull'efficienza termica di qualsiasi motore termico che abbia a che fare con la temperatura del sistema rispetto alla temperatura dell'ambiente.Maggiore è la differenza di temperatura, maggiore è la massima efficienza termica che può ottenere un motore ideale e senza attrito.Questo è chiamato efficienza di Carnot.

Il secondo motivo per cui i motori automobilistici hanno una bassa efficienza è che i motori non possono essere fatti per comportarsi in modo ideale.L'attrito tra le parti in movimento tende costantemente a rallentare il motore.Un po 'di calore fuoriesce dalla camera di combustione e diventa inutile per il motore.Il carburante non brucia sempre alla massima temperatura raggiunta, riducendo la quantità di calore rilasciata.Per questi motivi, l'efficienza termica nei dispositivi del mondo reale tende ad essere molto inferiore al 100%.